一种新型机电多媒体混合剧场的设计与实现

1、一种新型机电多媒体混合剧场的设计与实现摘要:采用旋转舞台卡通剧场的表现形式，将一个圆形舞台等分为3个表演区域，在不同的区域分别用环幕三维视频加舞台场景表演、幻影成像表演、三维视频加卡通布偶表演的方法表现一个完整的卡通故事。这种新型的机电多媒体混合表演剧场，已应用于亚洲最大的科技馆一一广东科学中心。本文借此介绍和分析这种剧场的系统集成，软件开发以及AVL系统的设计与实现方式。关键词:机电技术多媒体剧场1剧场概况广东科学中心是广东省政府投资19亿兴建的大型科普教育场馆，也是亚洲最大的科技馆。广东科学中心内设9个主题展馆，而绿色家园”展馆是其中之一，它以人类对自然的认识发展为线索，展示了地球上的生态

2、平衡、生态失衡以及现代生态环保技术。为了表达地球目前面临的能源危机、温室效应、臭氧层空洞、厄尔尼诺现象，以及人类在面临这些问题时所应采取的正确态度等内容，展馆设计了一个剧场，名为地球物体剧场，期望通过地球物体拟人化的表演和故事而达到对公众开展科普教育的效果。为了实现设计需求，地球物体剧场在技术上采用了旋转舞台卡通剧场的表现形式，将一个圆形舞台等分为3个表演区域，在不同的区域分别用环幕三维视频加舞台场景表演、幻影成像表演、三维视频加卡通布偶表演的方法表现一个完整的卡通故事。采用五百年后孙悟空故事线，以西游记故事为背景让地球物体本身幻化为故事中的角色，与西游记故事脚色一起来展开故事。故事的3个段落

3、分别为：金箍棒生锈栽根头美猴王问罪土地公”孙悟空无奈下深海海龙王龙宫献妙计”孙悟空变化探玄机电冰箱夜话道真情”剧场每场最多可容纳观众40人，每场表演节目时间为15min(如图1)。2系统集成剧场整个系统涉及6个技术领域，分别是:旋转舞台运动机构、机械布偶运动系统、幻影银幕运动系统、三维视频图像(包括幻影视频和其它投影视频)、5.1环绕音响系统、舞台灯光系统。为保证这6大因素的协调和同步，整个系统由计算机总控系统全程控制。(1) 旋转舞台运动机构：表演中，运动机构使舞台按照设定的顺序，分别将3个空间相互分隔的表演区旋转到观众厅，并精确定位。舞台的旋转运动是剧场表现手段的一部分，是一种完成故事表达

4、的特定方式，舞台旋转时剧情、灯光、音效、对白都是连续的。(2) 道具运动系统:道具运动系统是舞台上作为表演主体的卡通角色,以及布景和其他造型物依据剧情进行动作表演的机构和控制系统。剧场中故事角色都需要作一定程度的拟人化表演。但是，用一般的机械装置来完成表情化的动作表演是不可能的，而采用复杂的机器人装置来实现表演，在本剧场中显然不可取。因此,本剧场布偶表演”一节,采用布偶角色和三维视频脚色混合表演的写意风格”方式,使相对细致的表演由三维视频来实现。这样就可以使系统主要采用通用设备和部件，如通用气动系统，从而实现可靠性和经济性。由于这部分机构位于不断旋转的舞台上，因此需要有单独的随动动力源(空压机

5、)和控制模块(控制器)，再由总控计算机通过通讯统一控制，即布偶表演舞台”中的机械运动控制由总控用有线通讯方式控制随动执行控制器执行，这样不仅可以保证各机构动作的协调，也便于安装调试和维护。.幻影银幕运动系统：由于本剧场需要在同一个空间中实现3个舞台上不同方式的成像，因此幻影银幕需要有一个运动系统，保证它在需要的时候到达成像位置，而在不需要的时候让出这个空间。幻影银幕运动系统包括一组运动机构、传动机构、检测机构、动力，以及运动珩架和银幕本身。幻影银幕运动由总控系统控制，以保证满足剧场运行中特定的时间要求。三维视频图像：幻影视频是投影仪投射的影像在舞台玻璃上的反射，其他三维视频图像经变形矫正和同步

6、处理后，由投影仪投射到舞台的银幕上。所有三维视频画面都由同步播放软件播放和控制。无论是幻影视频还是环幕视频，都用全数字方式制作完成，主要运用三维软件Maya;后期软件ShakeVegasAftereffect;以及Photoshop等。音响系统:剧场的音响除提供表演时的对白、解说词外，表演音效主要是模拟风雨雷电，以及地球物体的声音效果。所有音频信号采用全数字音频方式输出，音频文件与视频文件的播放严格同步，也由同步播放软件控制。考虑到剧场的面积，采用5.1声道环绕立体声系统。主要用到的软件是coolEditPRO。(3) 舞台灯光系统:灯光除提供剧场整体和局部的照明、场景效果的塑造外，还用来在现

7、场模拟闪电效果。每组灯具的开启、延时、变化全部由总控计算机通过灯光控制器集中控制(如图2)。3软件开发3.1运行环境总控软件和多媒体播放软件，都在WindowXP上运行，总控计算机与音视频播放计算机用局域网连接和通讯，总控计算机和电脑灯光控制台也用局域网连接，总控计算机与控制机构运动的PLC用RS232连接,观众的抢答信号通过编码后由单片机通过RS485与总控计算机通讯。开发工具：总控软件用C+开发，电脑灯光控制软件用厂方提供的软件开发(主要是DMX控制系统)，多媒体的内容用Maya、cooledit、VegasAE等多媒体制作软件开发。PLC用组态软件开发，单片机采用51系列的汇编语言开发。

8、3.2模块设计总控系统包括：操作界面模块、音视频播放模块、灯光控制模块、PLC控制模块。操作界面模块是工作人员操作剧场表演的界面，也是监视系统各模块是否正常运行的界面，同时安装调试人员在剧场调试阶段通过这个界面发送各类调试信号。(1) 多声道音频、三维视频播放模块包括总控机发送播放信号、播放机接受信号后播放音视频软件两部分。(2) 灯光控制模块：舞台灯光尽量采用开关信号控制，这样可以直接用总控计算机控制，也可以通过专门的灯光控制台控制舞台灯光，若如此，总控只需发送开始信号给灯光控制台。(3) PLC控制模块主要用来控制舞台旋转和舞台道具的运动,PLC通过局域网接受总控计算机的信号,PLC对机械

9、动作控制用组态WCC完成。4AVL系统剧场的AVL系统运行环境是包括一个由服务器和3个播放终端机组成的CIG机柜、一个灯光控制台、一个5.1声道的功放机组成。此外系统还连接着4台投影机、6个音箱、若干灯光。各部分通过局域网和串口组成一个网络，通过网络协议和串口协议进行通讯。各视频文件放在各播放机上，处于待播放状态，总控系统向各播放机发送播放信号，各播放机收到信号，将播放待播的视频文件，视频信号通过投影机显示到屏幕上。各音频文件存放在总控系统的服务器上，受总控软件控制，整个剧场采用5.1声道系统,共安置7个音箱。灯光控制台针对不同的舞台预存4种灯光组合效果，根据服务器的指令调用预存的一种灯光效果

10、组合。(1)AVL系统的功能要求。AVL是剧场的音频、视频、灯光的控制系统，是剧场多媒体表演的重要组成部分。地球物体剧场是一个旋转舞台的表演形式，共分为3个表演舞台，依次旋转表演，每场表演的内容完全一致，因此音频、视频和灯光可以全部在事前制作和预设。 剧场对视频控制的要求。每个舞台都有通过投影仪播放视频节目的要求，但各舞台上银幕的位置和尺寸各不相同，因此3个舞台银幕需要用3个播放终端连接3个投影仪分别播放视频画面。3个播放终端需由一台服务器统一指挥控制。 剧场对音频控制的要求虽然有3个舞台，但同一时间只有一个舞台面向观众进行表演，所以整个剧场可以共用一套音箱系统。各音箱固定放置，不随舞台旋转。

11、音频的播放全部通过服务器上的总控软件控制，以保证播放的音频内容与舞台表演一致和同步。 剧场对灯光的控制要求。剧场的灯光部分可分为舞台灯光和照明灯光。舞台灯光由多达30盏舞台效果灯组成，舞台灯的开闭动作要求与舞台表演严格匹配。照明灯又可分为过道照明和剧场照明，过道照明应该常开，剧场照明是观众席的照明，在表演开始时应该关闭，表演结束时应该开启。整个剧场的表演，除了音频、视频外、灯光控制外，还包括舞台的旋转、舞台上布偶的运动、幻影银幕的升降，所有这些参与表演的部分都必须在时间和空间上协调一致，才能实现表演的效果。因此对AVL的控制必须和总控软件一起开发和调试，由总控软件统一控制包括AVL在内的所有部

12、分的协同工作，AVL的控制和总控软件共用操作界面,以保证各部分能协调运作。(2)AVL系统的实现方式。为了对AV实行有效的控制，实现上述需求，系统将采用服务器-终端播放机的方式，服务器上总控软件通过网络对各终端实施播放控制。视频文件存放在各播放终端，各播放终端时刻处于待播放状态。总控软件通过PLC判断舞台的位置，然后向相应的播放终端发送播放信号,收到信号的终端开始播放事先制作好的视频文件，没有收到信号的终端仍处于等待播放状态。处于等待播放状态的播放终端放映”黑帧”各音频文件存放在服务器上，接受总控软件的指令进行音频的播放。服务器的声卡与功放机相连。整个剧场采用5.1声道系统,共安置6个音箱。舞台灯光和剧场照明灯光由一台专业的灯光控制台控制。灯光控制台通过网络与服务器相连。舞台灯光效果事前编制成4个灯光效果程序存放在灯光控制台中，分别对应舞台表演的4个阶段:预演灯光程序、舞台1灯光程序、舞台2灯光程序、舞台3灯光程序、表演结束灯光程序。总控软件根据舞台表演的不同时期，向灯光控制台发出指令，让灯光控